太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究

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(1)太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 98 年 12 月. I.

(2) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. II.

(3) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 計畫主持人：呂文弘研究員. 內政部建築研究所自行研究報告中華民國 98 年 12 月. III.

(4) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. IV.

(5) MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Research on the Energy Conservation and Efficiency Evaluation of Solar Heating System in Single-Family Housing. BY Dr. Wen-Hung Lu. Dec. 2009. V.

(6) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. VI.

(7) 目. 目次表目錄 ........................................................................................ Ⅲ 圖目錄 ........................................................................................ Ⅴ 摘要 ............................................................................................ Ⅷ 第一章緒論............................................................................... 1 第一節研究背景與動機 ................................................................ 1 第二節研究目的與範圍 ................................................................ 6 第三節研究方法與流程 ................................................................ 7. 第二章文獻回顧與理論探討 ................................................... 9 第一節文獻回顧 ............................................................................. 9 第二節相關理論文獻探討 ............................................................ 11 第三節太陽能熱水系統概述 ............................................................ 14 第四節小結 ....................................................................................... 24. 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況 .... 25 第一節太陽能熱水系統節能效益分析與實例 ................................. 25 第二節太陽能熱水系統施工要求事項............................................. 32. I. 次.

(8) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 第三節太陽能熱水系統導入建築應用的課題分析 ............... 33 第四節專家業界訪談 ......................................................... 38 第五節小結 .................................................................... 38. 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析........ 41 第一節太陽能熱水系統設置意願使用者調查 ........................ 41 第二節國內外住宅建築導入太陽能熱水系統案例 .................... 56 第三節住宅建築太陽能熱水系統整合設計評估策略分析 .. 71 第四節小結 .................................................................... 97. 第五章結論與建議................................................................... 99 第一節結論 ...................................................................................... 99 第二節建議 ...................................................................................... 100 附錄一審查會議紀錄與回應............................................................... 101 附錄二住宅建築太陽能熱水系統安裝意願使用者調查問卷 ............ 104 附錄三太陽能熱水系統補助用規劃書格式 ....................................... 108 附錄四太陽能熱水系統(檢驗)完工自我檢核表 ................................. 114. 參考書目 .................................................................................... 117. II.

(9) 目. 表目錄表 1.1 各國每千人擁有的太陽能熱水器面積一覽表 ............................ 5 表 2.1 游泳池熱損項目與計算公式......................................................... 20 表 2.2 集熱器性能................................................................................... 21 表 2.3 集熱板傾斜角、方位角 ............................................................... 21 表 2.4 台中地區氣象資料 ....................................................................... 22 表 2.5 能量平衡表................................................................................... 23 表 3.1 全省代表地區基本氣象條件........................................................ 26 表 3.2 太陽能熱水系統產品檢測標準.................................................... 26 表 3.3 太陽能熱水系統年均節省能源費用............................................ 29 表 3.4 2009 年 3 月 30 日太陽能熱水系統儲熱桶實測結果表............. 30 表 4.1 住宅太陽能熱水系統整合設計評估架構 ..................................... 72 表 4.2 大陸地區住宅太陽能熱水系統整合設計評估指標權重.............. 74 表 4.3 增加投資回收年限評估指標等級................................................ 76 表 4.4 使用功能評估指標架構 .............................................................. 76 表 4..5 使用功能評估指標評估措施 ...................................................... 76 表 4.6 適宜的水溫 .................................................................................. 77 表 4.7 穩定的水壓 ................................................................................. 77 表 4.8 節水效果 ..................................................................................... 78 表 4.9 管理水準 ..................................................................................... 78 表 4.10 系統設計指標架構 ................................................................... 78 表 4.11 集熱設計 ................................................................................... 79 表 4.12 集熱器選型評估指標 ............................................................... 79 III. 次.

(10) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 表 4.13 集熱器面積計算指標 ............................................................... 80 表 4.14 集熱器傳熱類型 ......................................................................... 80 表 4.15 傳熱系統運轉方式 ................................................................... 81 表 4.16 輔助熱源設計 ........................................................................... 81 表 4.17 供應系統設計 ........................................................................... 81 表 4.18 防水質污染措施評估指標 ........................................................ 82 表 4.19 建築結合指標架構 ................................................................... 83 表 4.20 規劃設計評估指標 ................................................................... 84 表 4.21 建築整合設計評估指標 ........................................................... 84 表 4.22 集熱器安裝在平屋頂（平台）上的評估指標 ........................ 86 表 4.23 集熱器安裝在斜屋頂上的評估指標 ........................................ 87 表 4.24 集熱器安裝在牆面（陽台）上的評估指標 ............................ 87 表 4.25 儲熱水箱、輔助熱源及管道安裝評估指標 ............................ 88 表 4.26 結構安全評估指標架構 ........................................................... 89 表 4.27 結構設計評估指標 .................................................................. 90 表 4.28 施工安裝評估指標 ............................................................... 92 表 4.29 維護與檢修評估指標 ........................................................... 93. IV.

(11) 目. 圖目錄圖 1.1 太陽能熱水系統推廣利用推估圖................................................ 5 圖 1.2 熱水設備系統構成圖 ................................................................... 6 圖 1.3 研究流程圖................................................................................... 8 圖 2.1 太陽與地球位置與能量傳遞相關圖............................................ 15 圖 2.2 日輻射量時間序列累積圖 ........................................................... 16 圖 2.3 台灣地區年日照時數與日照率分佈圖 ........................................ 16 圖 2.4 太陽能熱水系統示意圖 ............................................................... 17 圖 2.5 大型太陽能熱水系統應用案例.................................................... 17 圖 2.6 管路配置圖................................................................................... 24 圖 3.1 2009 年 3 月 30 日太陽能熱水系統實測溫度比較圖................... 30 圖 3.2 一般透天住宅平面與立面之太陽能熱水系統檢討範例.............. 34 圖 3.3 屋頂貼版獨立型太陽能集熱板.................................................... 35 圖 3.4 露台雨庇型太陽能集熱板 ........................................................... 35 圖 3.5 屋頂平台集合型太陽能集熱板.................................................... 36 圖 3.6 屋頂高架獨立型太陽能集熱板.................................................... 36 圖 3.7 屋頂平台獨立型太陽能集熱板.................................................... 37 圖 3.8 北京桑寶金太陽新能源集熱板.................................................... 37 圖 3.9 九陽太陽能屋頂一體型單元......................................................... 37 圖 4.1 問卷對象居住地分佈一覽 ........................................................... 41 圖 4.2 問卷對象居住住宅建築類型分佈一覽 ........................................ 42 圖 4.3 問卷對象住宅安裝太陽能熱水系統比例圖 ................................ 43 圖 4.4 問卷對象認為現住住宅建築不適合安裝的原因 ........................ 43 V. 次.

(12) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 圖 4.5 每 2 個月天然氣支出統計 ........................................................... 44 圖 4.6 每 2 個月桶裝瓦斯支出統計........................................................ 44 圖 4.7 每 2 個月電費支出統計 ............................................................... 45 圖 4.8 太陽能熱水系統者之安裝意願調查分析 .................................... 45 圖 4.9 考量安裝太陽能熱水系統的評估因素權重分析 ........................ 46 圖 4.10 不同住宅建築安裝太陽能熱水系統的考量因素權重分析 ....... 47 圖 4.11 評估可接受的太陽能熱水系統安裝成本 .................................. 47 圖 4.12 重新評估安裝太陽能熱水系統成本回收年期分析................... 48 圖 4.13 影響安裝太陽能熱水器意願的成本回收年期分析................... 48 圖 4.14 易被接受的太陽能熱水器安裝成本回收年期分析................... 48 圖 4.15 問卷對象住宅建築可安裝太陽能熱水器的優先位置分析 ....... 50 圖 4.16 不同住宅建築可安裝太陽能熱水器的優先位置分析............... 51 圖 4.17 未來安裝太陽能熱水器的熱水配管長度分析 .......................... 52 圖 4.18 安裝太陽能熱水器最大熱水配管長度的意見 .......................... 52 圖 4.19 新建建築物預留太陽能熱水配管的意見分析 .......................... 53 圖 4.20 新建建築物以法規強制預留太陽能熱水配管的意見............... 53 圖 4.21 受訪者優先選擇已安裝太陽能熱水系統的新建建築物意願 ... 54 圖 4.22 受訪者優先選擇預留太陽能熱水系統配管的新建建築物意願 54 圖 4.23 受訪者自行興建住宅時安裝太陽能熱水系統意願分析........... 55 圖 4.24 太陽能集熱器提供行政區樓版暖氣系統與溫水需求............... 57 圖 4.25 屋頂小型風車 .............................................................................. 58 圖 4.26 屋頂裝置與建築一體型太陽能板............................................... 59 圖 4.27 屋頂裝置太陽能熱水裝置 ......................................................... 59 圖 4.28 自然生活館側向立面 ................................................................. 61 圖 4.29 自然生活館正向立面 ................................................................. 61 圖 4.30 三澤房屋學園前展示場之太陽能實品屋 ................................ 63 圖 4.31 學園前展示場興建中之實品屋.................................................. 64 圖 4.32 三澤房屋採用建築一體型太陽能板屋頂 ................................ 64 VI.

(13) 目. 圖 4.33 環境共生單身宿舍屋頂採用建築一體型太陽能發電系統 ....... 65 圖 4.34 西調布研究所環境工學實驗棟.................................................. 66 圖 4.35 不同類型的建築一體型太陽能光電板 ...................................... 66 圖 4.36 不同類型的建築一體型太陽能光電板 ...................................... 67 圖 4.37 不同類型的建築一體型太陽能光電板 ...................................... 67 圖 4.38 可開啟之建築一體型太陽能光電板 .......................................... 68 圖 4.39 外牆設置許多建築一體型太陽能光電板 .................................. 68 圖 4.40 建築一體型太陽能光電板斜屋頂.............................................. 69 圖 4.41 建築一體型太陽能光電板斜屋頂.............................................. 69 圖 4.42 環境工學實驗棟屋頂設置太陽能光電板 .................................. 70 圖 4.43 住宅建築太陽能熱水系統工程設計建議評估流程.................. 96. VII. 次.

(14) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 摘要關鍵詞：太陽能熱水、獨立式住宅、住宅建築、節能評估. 一、研究緣起 2009 年全國能源會議之核心議題一「永續發展與能源安全」子議題三低碳能源結構調整之建構低碳能源發展藍圖乙節，業以太陽能、生質能、風力發電為主要推動項目，致力技術研發降低成本及提高設置誘因，展現我國開發再生能源潛力的決心，相關單位並已賡續規劃具體行動方案擴大執行。 2008 年 9 月 4 日行政院通過「永續能源政策綱領－節能減碳行動方案」中「淨源」乙項，已將「推動太陽能熱水系統」納為節能減碳行動方案之一，必須積極推動辦理。本於建築政策先期研究的觀點，並配合國家推動新能源與再生能源技術研發與應用的政策措施，本研究針對目前國內建築領域推動太陽能熱水系統的技術與評估技術進行相關探討，以利推廣太陽熱能技術與提升住宅節能減碳之效益。. 二、研究方法及過程本研究從建築物設計初期導入太陽能熱水系統時的配管與構造整合技術進行探討，俾利擴大推廣應用太陽能熱水系統的可能性，拓展再生能源在建築領域的利用。研究內容如下： 1.探討住宅建築導入太陽能熱水系統之配管與構造整合技術。 2.探討太陽能熱水系統對住宅熱水用量與耗能減量的預期效益。 3.評估分析住宅建築採用太陽能熱水系統之節能減碳技術與評估方法。. VIII.

(15) 摘. 要. 三、研究發現（一）本研究發現：(1)我國目前仍缺專業技術團體或公部門行政機關正式函頒的太陽能熱水系統設計技術規範、(2)國內目前推動太陽能熱水系統安裝實例仍以增設為主，且為現場評估安裝位置或配管路徑，尚未導入完整的設計評估流程、(3)國內尚未建立太陽能熱水系統研發專責機構，僅由能源主管機關委託辦理申裝補助審查機構，同時缺乏太陽能熱水系統與建築構造整合設計的研發計畫。（二）針對住宅建築導入太陽能熱水系統之問卷調查結果，顯示使用者對系統已有充分認知；未來於住宅建築規劃與設計階段如能即時納入規劃審慎考量，可有效誘發民眾均對太陽能熱水系統的安裝需求。（三）另根據相關文獻、問卷調查結果以及專家訪談重點，規劃住宅建築太陽能熱水系統整合設計評估策略架構，包括規劃、使用功能（系統設計）、建築設計及結構安全等評估群組，並可賦予不同權重。. 四、初步建議事項壹、立即可行建議：儘速制訂太陽能熱水系統設計技術規範。建議能源主管機關力投入研發資源，協助業界突破技術瓶頸，並儘速制訂太陽能熱水系統設計技術規範，加速推廣應用。主辦機關：經濟部能源局。貳、長期性建議：全面補助推動太陽能熱水系統之裝設。全面補助推動太陽能熱水系統之裝設，並導入個案實測設備，強化紀錄與分 IX.

(16) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 析，落實評估太陽熱能之節能減碳效益。主辦機關：經濟部能源局. X.

(17) 摘. ABSTRACT Keywords: solar heating system, single-family housing, residential building, energy conservation evaluation In Taiwan, the building industry accounts for 28.3% of nation’s total energy consumption. And it has been highly depending on imported energy which is over 97% of total energy resource. To reduce energy consumption of heating water system become an important concern. The low-carbon energy development roadmap is shown in the National Energy Conference, which includes the clear energy, solar energy, biomass, wind power generation as their main project in 2009. The policy is focused on technology and low-cost improvement for increasing incentives in developing renewable energy. On September 4, 2008, the Executive Yuan passed the sustainable energy policy agenda. The reduction of carbon-saving campaign in the "Promotion of solar heating system" for energy-saving is one of action of the carbon reduction programme. Therefore, following the renewal energy policy, this research focused on the evaluation process and the benefit of solar heating system applying for housing. Within the evaluation process, the interface technical issues between building structure and questionnaires within the demand of end-users have been summarized. On the other hand, the promotion of solar heating technology and the residential energy-saving carbon-reducing benefits has also tried to facilitate. The study found that, in order to enlarge the market, it needs to publish the technical design guideline of solar heating system for building by government agency as soon as possible. And the second, the demands of solar heating system for residential building user are remarkable from the analysis of questionnaires. Finally, according to the determination, survey results, and comment from expert interview, this research summarized the design evaluation strategic framework of solar heating system. In order to establish the pre-design evaluation process, the weighting index of evaluation item will be studied continuously in the future.. XI. 要.

(18) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. XII.

(19) 第一章緒論. 第一章緒論第一節研究背景與動機近年來，人類對於環境的破壞規模，已擴大至地球的尺度，例如地球氣候高溫化、酸雨、森林枯竭、臭氧層破壞、異常氣候等現象已無遠弗屆，人類的生存已遭到嚴重的威脅。2007 年 12 月於印尼峇里島舉行聯合國氣候變化綱要公約第 13 次締約國大會（COP13）暨京都議定書第 3 次締約國會議（MOP3），會中通過包括峇里島行動計畫(BaliActionPlan)等 14 項決議文，並規劃於 2009 年完成新全球減量協議談判工作，執行。。2008 年 3 月另於泰國曼谷召開氣候變遷對話會議，協商後京都時期（2012 年以後）之減量目標與義務規範。此外，行政院環境保護署有鑑於氣候變遷廣域性和重大的衝擊，並擬定「節能減碳無悔措施全民行動方案」，從各部門擴大推動全民參與節能減碳的新生活行動，以使台灣成為低碳永續發展的國度。[1] 台灣是一個能源短缺的國家，所需能源幾乎全部仰賴國外供應，能源對外依存度到 2,008 年時已達 99.3％以上。[2]依據行政院永續能源政策綱領，台灣為因應自然資源不足，環境承載有限的現況，永續能源政策將朝有限資源作有「效率」的使用，開發對環境友善的「潔淨」能源，以及確保持續「穩定」的能源供應。我國推動太陽能潔淨能源的利用已歷經多年的推廣，雖然整體安裝密度已. 1.

(20) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 達世界第 3 位，但是實際安裝比例僅佔建築物之 5％左右，在推廣上仍有相當大的空間。住宅類建築可裝設太陽能熱水設備的屋頂、露台空間其實相當有限，如何在有效空間範圍內，同時結合給水配管系統的新設或增設，以取得合宜的設置容量、熱能損耗與使用分配，將是本研究的重要發展方向。[1] 2009 年 4 月 15 日全國能源會議總統開幕致詞宣示：永續發展是人類文明共同的願景，而建立公平正義的社會、創造永續的經濟發展模式、以及維持潔淨的自然環境，更是我們應該對後代子孫的無悔承諾。隨著「地球高峰會」、「聯合國氣候變遷綱要公約」以及「京都議定書」的召開與簽署，我國也不能自外於國際社會的責任與義務。為了善盡世界公民的責任，在「節流」方面，政府亦訂定未來 8 年每年提高能源效率 2%以上的目標；在「淨源」方面，積極推動全國二氧化碳排放減量，在 2016 年至 2020 年間回到 2008 年的排放量，在 2025 年回歸到 2000 年的減量目標。台灣是一個海島國家，極度缺乏能資源礦產，99.3%的能源仰賴進口供應，2008 年國際能源價格巨幅波動，也大大影響台灣整體產業的競爭力。因此，於 2008 年 6 月行政院即核定「永續能源政策綱領」，並於同年 9 月通過「永續能源政策綱領─節能減碳行動方案」，以彰顯政府推動節能減碳的決心。從目前積極推動節能減碳及綠能產業發展的國家經驗來看，諸如：發展太陽光電產業的日本及西班牙、發展風力產業的德國及丹. 2.

(21) 第一章緒論. 麥，以及發展生質燃料產業的巴西，可以瞭解到：推動節能減碳雖然所費不貲，卻可以帶動大量商機。而美國總統歐巴馬所推動的新能源政策，也強調綠色能源經濟的重要性，並提供 500 萬個新工作機會，以加速低碳經濟的發展。 2009 年全國能源會議閉幕行政院劉院長亦再次重申，從永續能源的發展歷程中，台灣將朝向無悔「低碳家園」的新境界邁進，並凝聚政府「低碳施政」方向，在「確保我國能源供應安全」、「善盡地球村公民責任及因應氣候變遷危機」，以及「產業結構調整」的共識下，確立我國未來須朝積極建構低碳社會與低碳經濟的方向發展，期能積極轉型成為世界先進國家的一員。低碳施政的內涵，將從能源、社會、產業、住商、運輸、電力及科技等七大面向全面啟動，包括營造城鄉綠建築新景觀、發展「低碳社區」與「低碳城市」的願景、建立「低碳導向」的交通環境、建構智慧節能電網、推動「能源國家型科技計畫」及全面推展「綠色能源產業」。從住商面及能源面的策略規劃，均充分展現我國拓展永續台灣低碳家園的決心。本次全國能源會議之核心議題一「永續發展與能源安全」子議題三低碳能源結構調整之建構低碳能源發展藍圖乙節，業以太陽能、生質能、風力發電為主要推動項目，致力技術研發降低成本及提高設置誘因，展現我國開發再生能源潛力的決心；另核心議題四「能源科技與產業發展」之第三節再生能源，已將(一)太陽能：太陽熱能、有機太陽能電池、半導體太陽能電池、高聚光太陽能發. 3.

(22) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 電系統等轉換率提升。納為能源科技研發的重要結論，相關單位並已賡續規劃具體行動方案擴大執行。[2] 2008 年 9 月 4 日行政院通過「永續能源政策綱領－節能減碳行動方案」，以「淨源」、「節流」、「法規配套」三管齊下，建構「二高二低」（高效率-高價值-低排放-低依賴）的能源消費型態與能源供應系統為目標。並採取(一) 改造能源結構，提升發電效率（能源面）、(二) 降低企業排碳，發展綠色產業（產業面）、(三) 建構便捷運網，人本交通環境（運輸面）、(四) 邁向低碳城市，推廣節能照明（環境面）、(五) 全民減碳運動，廢棄回收利用（生活面）、 (六) 完善法規基礎，建置配套機制（法規面）等面向之策略，由各部會分工執行。其中「淨源」乙項，已將「推動太陽能熱水系統」納為節能減碳行動方案之一，必須積極推動辦理。[3] 本於建築政策先期研究的觀點，並配合國家推動新能源與再生能源技術研發與應用的政策措施，本研究擬針對目前國內建築領域推動太陽能熱水系統的技術與節能效益進行相關探討，以利推廣太陽熱能技術與提升住宅節能減碳之效益。依據我國太陽熱能利用發展的近期歷程發現，2004 年已突破每年 11 萬平方公尺的安裝面積，2008 年更達 12 萬平方公尺規模，主管機關希望能在 2010 年全國安裝面積總量可達 215 萬平方公尺（圖 1.1），惟這樣的願景有賴獨棟或透天住宅類建築的積極推廣，始能達成。[4]. 4.

(23) 第一章緒論. 圖 1.1 太陽能熱水系統推廣利用推估圖反觀國際間，除了主動式太陽能建築的發展外，在其他太陽能應用部分亦相當成熟。太陽能熱水系統技術發展與推廣應用較好的國家包括：奧地利、希臘、以色列、丹麥、德國、荷蘭、澳大利亞、日本及美國等，這些國家每千人所擁有的太陽能熱水器面積列如表 1.1。台灣地區截至 2009 年 6 月底止，總安裝面積約達 182 萬 m2，換算安裝密度為全球第 3 位，如能在建築應用上持續擴展，相信對於綠色產業有迅速升級的幫助。[5] 表 1.1 各國每千人擁有的太陽能熱水器面積一覽表[5] 國家. 安裝面積（m2）. 國家. 安裝面積（m2）. 奧地利. 265. 希臘. 264. 以色列. 580. 丹麥. 60. 德國. 52. 荷蘭. 13. 澳大利亞. 164. 日本. 58. 美國. 40. 土耳其. 95. 5.

(24) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 第二節研究目的與範圍建築物熱水設備系統是由熱源裝置、配管系統與設備末端的使用器具所構成，如圖 1.2 所示；熱源裝置係指各種熱水器、太陽能集熱器等裝置；配管系統則係指熱源將水加熱輸送的熱水供應系統；而設備末端的使用器具則係指浴廁、廚房等熱水使用空間之水栓裝置。依據構成熱水設備系統的三個部分，熱水系統的耗能區分三個區段：一是熱源裝置的耗能，包括設備選用上一次能源或二次能源轉換的能量損失，以及設備效率的耗能；二是配管系統在傳輸過程中熱能散失的問題，以及殘留管內未使用熱水的能量損失；三是為熱水使用量所造成的能源消耗。. 熱源裝置. 輸送用配管. 使用器具. 熱水儲存槽瓦斯熱水器. 廚房流理台洗臉槽. 電力. 浴缸、淋浴蓮蓬頭熱水管. 洗衣用槽. 給水管. 太陽能集熱器. 圖 1.2 熱水設備系統構成圖[6] 本研究將針對給太陽能熱水系統與配管之傳輸耗能探討，研究範圍則以住宅類建築獨立式熱水系統為主，探討給熱水系統與設備對於能源損耗之影響。. 6.

(25) 第一章緒論. 本研究首先擬從建築物設計初期即採用明管構造進行配管設計，與導入太陽能熱水系統時的配管與構造整合技術進行探討，俾利未來日常使用的維修檢查與更新汰換作業，減少營建廢棄物產生量與施工污染，並可擴大再生能源的利用。預定研究內容如下： 1.探討住宅建築導入太陽能熱水系統之配管與構造整合技術。 2.探討太陽能熱水系統對住宅熱水用量與耗能減量的預期效益。 3.評估分析住宅建築採用太陽能熱水系統之節能減碳效益。本研究現階段完成以下成果： 1.彙整探討住宅建築導入太陽能熱水系統適用範圍可行配管與構造整合技術。 2.評估分析住宅建築採用太陽能熱水系統對節能減碳效益貢獻。第三節研究方法與流程目前既有建築物未預留太陽能熱水給水及供水用配管，致新裝設太陽能給熱水系統時，需從鑿除既有構造進行配管，且供水樓層範圍受限，故本研究擬探討建築物明管配管設計與太陽能熱水系統整合配管之技術，期能擴大住宅建築太陽熱能的利用。本研究之主要研究方法及執行步驟說明如下： 1.蒐集彙整國內推動太陽能熱水系統的發展現況與效益。 2.收集合格產品與廠商資料，規劃設計與施工技術訪談事宜。 3.探討住宅建築給水配管整合太陽能熱水系統的設計介面技術議題，並嘗試歸納屋頂或露台明管配管的設計施工原則。. 7.

(26) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 文獻回顧. 住宅建築熱水給水能源效益評估相關理論. 住宅給熱水系統與配管技術. 住宅熱水系統與配管規範. 太陽能熱水系統配管技術. 廠商訪談與專家諮詢. 住宅建築太陽能熱水系統案例調查導入太陽能熱水系統之配管與構造整合技術. 評估分析適用範圍與節能減碳效益. 結論與建議. 圖 1.3 研究流程圖. 8.

(27) 第二章文獻回顧與理論探討. 第二章文獻回顧與理論探討第一節文獻回顧因應 1970 年世界石油危機發生，節約能源與新替代能源研發等相關技術研究，於各先進國家紛紛展開；內政部自 1995 年起大力推動節約能源設計管制相關規定，並經歷年等多次修訂，已能有效落實省能建築之設計管制。同時，為積極鼓勵符合永續環境理念之綠建築，內政部建築研究所並陸續規劃綠建築標章及相關推動機制，鼓勵新建建築物採用符合永續環境與省能環保性能之技術設計，以因應『京都議定書』之溫室氣體減量義務，減緩日益嚴重的全球溫暖化問題。[1] 在地球環境問題的受重視與綠色建築的風潮帶動下，國內建築產業也不落人後的導引出一股新的建築設計新潮流，內政部建築研究所推動之綠建築已漸成未來最重要的建築政策，新能源與再生能源亦為我國推動「低碳家園」的重要行政措施，因此著手探討住宅建築推動太陽熱能應用的技術與策略。[2] 本計畫蒐集國內外有關太陽能熱水系統與住宅建築熱水耗能研究與節能推廣之相關文獻，並整理出其研究重點，供本計畫之參考，茲分別敘述如下：一、熱水系統整體耗能熱水系統之組成包含熱源裝置、輸送配管及末端使用器具，熱. 9.

(28) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 水系統整體耗能即包含熱源裝置效率所造成之能源損耗、輸送過程中的配管耗能量、停止使用熱水後殘留於管內之熱水耗能量、以及熱水使用量所造成的能源消耗。熱水系統整體耗能之相關研究，茲分別說明如下： 1. 建築節約能源設計手冊[7]–中華民國建築學會，1991 針對給熱水系統提出兩個節約能源的對策方向，其一為節約熱水用量，其二為減少給熱水之熱損失：熱水管給予適當之絕緣保溫處理，配管總長度宜控制在 9 公尺以下，避免熱損造成不必要的燃料浪費。 2. 建築物省能基準與計算手冊[8]–建築環境省能機構，1996 提出熱水系統省能效率基準之評估項目，包括：配管設備計劃、熱水設備使用控制、熱源機器效率。其中以配管設備計劃為影響評估省能基準之重點，其中以配管保溫材之使用影響最巨，其次為配管路徑。 3.熱水給水系統監測實驗[9]–L. Barta，2003 針對住宅熱水使用及傳輸進行監測，監測項目為熱水傳輸之尖峰流量及每日熱水耗能量。 4.日本地區住宅熱水耗能調查[10]–M. Mae ，2004 透過不同尺度之住宅進行實驗監測，取得住宅熱水消耗量數據，評估熱水日常使用波動與平均使用量。並對住宅熱水消耗情形，提出評估試驗模型。 5.亞熱帶地區住宅建築熱水供給系統之研究[11]–M.C. Lee，2003. 10.

(29) 第二章文獻回顧與理論探討. 探討建築物熱水使用情況，計算台灣地區熱水使用的耗能量。熱水使用之分析結果，沐浴用水量為 40L，平均沐浴溫度為 38.5℃，再根據沐浴水量、沐浴溫度、配管距離及自來水給水耗能評估，台灣地區，每人沐浴一次所消耗的能量約為 0.838 度電。. 二、熱水配管耗能議題 1.台灣公寓平面基本模式之反省與展望[12]–胥直強，1997 從建築平面的規劃上，提出建議採用熱水使用空間集中的概念，以減少熱水傳輸的能源消耗。 2.永續發展理念下都市住宅設備現況調查分析[13]–陳裕益，2001 針對熱水供應場所及明暗管配管型式進行調查，提出有效的縮短住宅中熱水管的長度並施作充分的保溫措施，且儘量集中使用熱水的時間，建立永續的住宅熱水供應設計及使用習慣。. 第二節相關理論文獻探討一、配管耗能理論依據 1.住宅建築熱水配管傳輸耗能之研究[6]，林晏旬，台灣科技大學碩士論文，2005 年 7 月針對國內建築住宅熱水設備系統現況進行調查，探討耗能問題，並進行配管溫降實驗，簡化熱水配管傳耗能傳輸耗能評估計算公式。經過實驗與計算值之比較驗證，確認簡化計算式適用於台灣. 11.

(30) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 地區熱水配管型式之熱水配管傳輸耗能量計算。. E P = AP × L × S × TD × t （kcal）式中 E P ：配管耗能量（kcal） AP ：配管斷面積（㎡） L ：配管長度（m） S ：水的比熱（-）. TD ：配管溫降梯度係數（℃/min） t ：熱水使用經歷時間（min）. 二、太陽能熱水系統輔助效能與推廣 1.太陽能熱水器輔助電熱系統之省電測試分析與應用改良[14]，陳玟瑞等，國科會專題補助研究計畫，2007 年 6 月。太陽能熱水器的儲熱性能測試，因天候不良和受季節的變化使每一天太陽累積輻射分佈的變化型態受到影響。另一方面是由集熱板集熱效率及儲水桶散熱係數（保溫效果）與保持儲水桶的存水量必須補充冷水，導致冷水與儲水桶熱水混合時的分水層保持與否，直接影響與否加熱和出水的溫度。太陽能熱水器輔助電熱系統，在不同的季節性氣候變化及每天太陽輻射分佈變化的情況，經由模擬一般用戶的實際使用熱水進行監控測試，其結果已達到預期的省電效果及經濟效益。當實際用戶使用熱水時，儲水桶在補充冷水時。證實冷水與熱水混合而破壞熱水分層而影響溫度感知器的加熱判斷，造成不穩定. 12.

(31) 第二章文獻回顧與理論探討. 加熱耗電。其次是自然循環式太陽能熱水器是以集熱板集熱效率及儲水桶散熱係數方面來評估其性能的好壞決定耗電量。因此，本計畫在每天模擬用戶實際用水量進行洩水，針對太陽能熱水器的集熱桶子裡進行溫度分佈追蹤監控，收集各點溫度和洩水量之數據進行探討分析。以 150 公升的太陽能熱水器為例，在標準 3 人份的用戶所使用熱水量為 3 人×50 公升×50oC=750 仟卡，進行沐浴用水，可省電太約 30%~35%。. 2.太陽熱能利用技術開發及推廣計畫（第二年度）[4]，陳文杰等，經濟部能源科技研究發展計畫執行報告，2007.03。傳統建築物（公寓、獨立住宅、商用辦公或其他類型建築物）之屋頂採用平屋頂設計者相當多，導入太陽能集熱系統時，因二者關係相互獨立，故多屬加置型方式設置，整體外觀上不協調，難以獲得建築師與消費者的認同。該研究即在針對推動太陽熱能面臨不易拓展的瓶頸與風險進行整合研究，企能開發建築構材一體型系統整合規劃的產品，包括斜屋頂、外牆面、帷幕牆或雨庇等，俾能擴大推廣太陽熱能系統的實用產能與產業發展。相關文獻並蒐集到國外推動建築一體型系統的成功案例，包括歐洲 VELUX 公司及德國 Wagner & Co 公司的嵌入式太陽集熱系統、澳地利 Sonnenkraft / Austria Solar 及 GREENoneTECH、AEE Intec 等建材化集熱器；另有歐洲 ZENSOLAR 公司完成之社區女兒牆/遮陽版應用之太陽能建築案例。研究以系統構件載重為出發點，探討可行之建材化技. 13.

(32) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 術，以擴大應用至不同建築軀體部位。此外，建築整合一體化太陽熱能集熱系統的發展尚無相關國際標準或規範，同時亦無參考指標，國際間大多著眼於集熱器與建築物之介面技術發展，而國內在此面向亦有極大發展空間，值得深入研究，儘速建議規範或技術基準。. 第三節太陽能熱水系統概述太陽能熱水系統主要原理是利用集熱器吸收來自太陽輻射能量，並透過熱交換的方式將熱傳至工作流體，儲存於儲熱槽中。影響集熱能力的因素包括太陽輻射量、當地地區室外環境溫度、集熱器的集熱能力、保溫材料的選擇及控制策略的決定等。太陽的熱能透過輻射的方式將能量傳到地球，其所發出的能量約每秒有 3.845×1026 J，而地球接收來自太陽所發出的能量約每秒 1.743×1017 J，約等於 610 萬噸煤炭燃燒產生的熱量，相當於全球每天熱量需求的 16700 倍。因此，若能將太陽每天所產生的能量累積起來當作日常生活的能源，可取代相當可觀的一次能源。在太陽能應用最常見的參數為每日的太陽日照強度 W/m2，而地球大氣層外的日照強度，通常定義為太陽常數 E0=1367 (W/m2)。太陽常數：用以表示由太陽照射至地球上之輻射能量。在太陽與地球之距離為平均距離時，在大氣層上界（無大氣影響）垂直於太陽光線之單位面積、單位時間所接受之太陽輻射。[15]. 14.

(33) 第二章文獻回顧與理論探討. r 0 = 1.496x10 8 km r E = 6371 km r S = 7x10 5 km. 圖 2.1 太陽與地球位置與能量傳遞相關圖[15] 除了每日平均日照強度之外，月平均日輻射量也常常被用來計算集熱量的參數，太陽透過直達及漫射的方式，以每秒數百瓦的強度將能量傳至地表，其平均日輻射量就是根據每秒的日照強度與每天的日照時間(hr)乘積累加所得到的累積量，如圖 2.2。月或年的日輻射量可由每日的累積日輻射量計算得知。台灣地區位於北半球，緯度約為 22~24 之間，且有北回歸線通過嘉義地區，春、夏季日照良好，除了北部地區因地形關係，日照時數較少之外，中部以南全年日照時數約 2000hr 以上，如圖 2.3。根據台灣地區日照時數及日照率的分布可得知最佳的鋪設地區大部份都在台灣的中南部地區，這也是為什麼太陽能熱水器大多裝設在中南部的原因。. 15.

(34) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 日射量Hi=Ii x Δt. 輻射量. Ιι. 時間 Δt. 圖 2.2 日輻射量時間序列累積圖[15]. 圖 2.3 台灣地區年日照時數與日照率分佈圖[15] 太陽能熱水系統主要構成元件包括集熱器、儲熱槽、溫差控制器、泵浦等，如圖 2.4 。集熱器的功能主要用來吸收太陽輻射熱，將熱量傳遞給工作流體如水。儲熱槽用於熱水系統又稱為儲水槽，主要用來儲存熱水的地方，以提供用熱端使用。泵浦藉由溫度感測. 16.

(35) 第二章文獻回顧與理論探討. 溫度差，將電子訊號傳至泵浦，驅動泵浦將工作流體傳送至集熱板管路中進行熱交換，達到集熱的功能。一般設計常用：集熱板出口水溫高於儲水槽下方水溫 7~10℃，即啟動泵浦循環。. 溫差控制器. 圖 2.4 太陽能熱水系統示意圖[15] 大型太陽能熱水系統主要應用範圍包括：溫水游泳池、宿舍及旅館熱水等。. 圖 2.5 大型太陽能熱水系統應用案例[15] 一、太陽能集熱器種類與連接方式太陽能熱水系統依循環動力的種類可分為：自然循環式與強制 17.

(36) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 循環式。一般而言，在大型太陽能熱水系統中，由於集熱面積較多，為了克服工作流體的管路摩差損失所造成的壓降。因此，大多採用強制循環式系統。若以連接各集熱水管的連接方式分類，可分為以下三種：（一）並聯工作流體先流經集熱器下方冷水主幹管，由每片集熱器底部流入集熱器，再從每片集熱器出口匯集至熱水主幹管。. （二）串聯前一片集熱器熱水出口接到下一片集熱器冷水入口。. （三）併聯其各集熱器的冷水入口連接在一起，熱水出口管亦依序連接。. 二、大型太陽能熱水系統設計說明[15] 3.1、調查用戶基本情況 3.1.1、環境條件安裝地點緯度：北緯__________度月平均日輻射量：___________MJ/m2. 18.

(37) 第二章文獻回顧與理論探討. 環境溫度：________________℃ 3.1.2、用水情況每日平均用水量：_______________m3 用水模式：______________ 用水溫度：______________℃ 用水位置：______________ 3.1.3、場地情況場地面積：說明或圖例場地形狀：說明或圖例建築物承載能力：遮擋情況： 3.1.4、水電情況水壓：kg/cm2 or Pa 電壓：V 水、電供應情況： 3.2 熱需求量計算根據不同用水習慣與溫度需求、水量，計算總熱需求量。 3.2.1、宿舍用水：依據人數與用水量計算. (. Q L = V L × C p × Top − Tin. ). 參數定義：. 19.

(38) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. QL ：負載需求熱量（KJ） VL ：用水需求預估量（L） C p ：儲熱桶內流體比熱，如用水為 4.186KJ/ kg ·℃. Top ：最終需求水溫（℃） Tin ：平均初始水溫（℃ 3.2.2、溫水游泳池：每日不同熱散失量（蒸發熱散失、對流熱散失、輻射熱散失）表 2.1 游泳池熱損項目與計算公式蒸發熱損失. 輻射熱損失. (5.228+6.03× V )( Pp − φ ⋅ Pa ). 4 0.96 × 5.67 × 10 −8 × T p4 − Tsky. 對流熱損失. 熱傳導損失. (3.1 + 4.1V )(T p − Ta ). Q g = 0.57 ⋅ T p − T g. (. (. 補充水熱損失. (. ⋅. Q Fr = q eva / h fg ⋅ C p , w ⋅ T p − TFr. ). 註：表中的參數定義如下： V ：平均風速 m/s Pp ：實際水溫之水蒸氣分壓. Pa ：外界環境溫度之水蒸氣分壓. φ ：相對溼度 T p ：泳池平均水溫(K) Tsky ：天空中大氣平均溫度(K). 20. ). ).

(39) 第二章文獻回顧與理論探討. Ta ：環境溫度(K) T Fr ：補充水出使水溫(K) C p , w ：水比熱. 4.18kJ/kg-K. h fg ：液汽熱焓值(kJ/kg). Q eva ：蒸發熱散失量(kJ). 3.3、太陽能集熱系統設計與相關設備選擇集熱器的選用：根據太陽能熱水系統補助辦法規定集熱器效率必須符合相關規定才能給予補助，集熱器規格如表 2.2 所示，並檢附副本如附件。配合當地地區可裝設位置進行集熱效率的修正如表 2.3 所示。表 2.2 集熱器性能集熱器名稱. 非金屬平版式. 集熱器編號. xxxxx. FR (τα). 0.75. FRUL 單片集熱器面積(m2). 5.51 2. 表 2.3 集熱板傾斜角、方位角安裝位置. XXXX. 安裝頃斜角（度）. 33=緯度＋10 傾斜角修正係數. 安裝方位角（度）. 南向西 30. 當地緯度(度). 23. 98%. 方位角修正係數 98.50%. 3.4、氣象資料台灣地區氣象資料可由中央氣象局或工研院氣象資. 21.

(40) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 料軟體，供不同地區每月份之氣象資料，如表 2.4 所列為台中地區氣象資料為範例說明。表 2.4 台中地區氣象資料地區. 台中月累積日照量 MJ. 環境溫度℃. 相對溼度%. 累積日照時數 H. 一月. 305.0. 17.00. 75.06. 173.96. 二月. 296.19. 17.43. 76.00. 148.28. 三月. 354.61. 19.81. 75.81. 154.05. 四月. 361.86. 23.30. 77.43. 135.96. 五月. 415.57. 25.99. 76.81. 158.31. 六月. 428.23. 27.84. 77.06. 171.20. 七月. 464.42. 28.69. 75.50. 197.63. 八月. 428.95. 28.25. 77.68. 182.94. 九月. 384.25. 27.33. 74.93. 168.47. 十月. 390.73. 25.13. 72.31. 202.33. 十一月. 315.79. 21.91. 71.75. 180.07. 十二月. 280.08. 18.55. 72.81. 181.46. 3.5、能量平衡計算根據現行大型太陽能熱水系統設計規範，標準如下： 1、逐月計算熱負荷、集熱器之集熱量，實際舖設面積不超過最大熱負荷所需之集熱面積。 2、全年集熱器之集熱總量，不超過熱負荷總量。. 大型系統集熱效率採用並接連效率公式計算，如下： ⎛T −T ⎞ η = FR (τα ) − FRU L ⎜ m a ⎟ ⎝ I ⎠ 其中，. 22.

(41) 第二章文獻回顧與理論探討. Tm =. 2 × Tin + Ta 3. Ta ：平均環境溫度℃ I：平均每日日射強度 W/m2 能量平衡計算可參考表 2.5 所列之能量平衡表，檢視系統設計是否符合設計規範。表 2.5 能量平衡表每日總熱負荷量月平均日輻集熱效率％ MJ/日射量 MJ/m^2. 實際鋪設總集熱量面積 m^2 MJ/m^2. 1. 45208.8. 9.83. 0.56. 590. 3250.80. 2. 45208.8. 10.57. 0.59. 590. 3682.20. 3. 45208.8. 11.82. 0.62. 590. 4323.75. 4. 45208.8. 11.67. 0.65. 590. 4476.59. 5. 45208.8. 13.85. 0.66. 590. 5394.35. 6. 45208.8. 13.81. 0.66. 590. 5379.17. 7. 45208.8. 15.48. 0.66. 590. 6028.30. 8. 45208.8. 13.83. 0.66. 590. 5388.12. 9. 45208.8. 12.80. 0.65. 590. 4911.86. 10. 45208.8. 12.60. 0.62. 590. 4610.54. 11. 45208.8. 10.52. 0.59. 590. 3664.44. 12 總計. 45208.8. 9.03. 0.55. 590. 2931.85. 198014544. 12.15. 0.62. 月份. 19725343. 根據能量平衡計算結果可得到鋪設面積 590m2 可符合大型太陽能熱水系統設計規範。 3.6、系統管路設計與配置 (1). 集熱泵浦流量設計集熱泵浦流量設計根據每平方公尺集熱器 0.02kg/s 設計。如系統為 590m2 則集熱泵浦流量為： Q = 590 × 0.02 × 60 = 708 L / min. 23.

(42) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. (2). 管路壓降根據不同管徑、流量、閥件、裝設高度等計算系統所需要之系統壓降，選擇適當的泵浦，可參考配管實務設計[4]。太陽能熱水系統管路設計遵循”先進後出”的設計概念以確保管路流路均勻，如圖 2.6 所示。必要時，在管路適當位置裝設壓力表或流量計，以方便系統檢測之用。熱水出. 冷水入. 圖 2.6 管路配置圖第四節小結目前正值我國積極推動綠建築與建築節能政策之際，本研究爰擬針對此項課題深入探討，並進行實作比對，俾利後續參考引用。. 24.

(43) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況第一節太陽能熱水系統節能效益分析與實例自從經濟部於民國 75 年頒佈「太陽能熱水系統推廣獎勵補助辦法」開始，國內太陽能熱水系統產業發展至今已屆 23 年，施做架設的太陽能集熱器面積，從一開始每年不到 5,000 平方公尺（近 3,000 片），依經濟部能源局統計 97 年國內的太陽能集熱器架設面積已達 12 萬平方公尺（另有外銷市場數量未計），每年約有 25,000 戶的民眾裝設節能又環保的太陽能熱水器。使用太陽能熱水器，比較使用化石燃料製造熱水，能減少對環境的污染及溫室氣體二氧化碳的產生。燃燒一公斤桶裝瓦斯約產生 3 公斤二氧化碳，燃燒一度天然瓦斯約產生 2 公斤二氧化碳，燃燒一公升柴油約產生 2.7 公斤二氧化碳。使用電一度約產生 0.638 公斤二氧化碳。太陽能熱水器從節能的角度而言，可說是家庭或使用熱水的機關單位最佳的選擇；以國內家庭使用機種最多的設置機型-3 片 400 公升型，依能源局檢測標準效率百分之五十計算，每年可為民眾節省可觀的能源費用。. 25.

(44) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 表 3.1 全省代表地區基本氣象條件項目/代表地區. 台北. 台中. 台南. 恆春. 台東. 花蓮. 宜蘭. 14.38. 15.93. 16.61. 17.47. 17.68. 15.21. 18.4. 456.23. 472.9. 500.28. 512.38. 444.27. 543.63. 2. 大於 7 百萬焦耳/m 天（θ＝Θ＋100）之平均日設量 H 協 ×106 焦耳/m2-天. 大於 7 百萬焦耳/m2天（θ＝Θ＋100） 422.63 之平均瞬時日設量 I 協（W/m2）平均氣溫 Ta（℃）. 22.4. 23. 24.3. 25.7. 24.7. 23.5. 22.3. 起始水溫 Ti（℃）. 20.5. 21.1. 22.4. 23.8. 22.8. 21.6. 20.4. （資料來源：中華民國太陽能科技發展協進會）. 表 3.2 太陽能熱水系統產品檢測標準 1.太陽能集熱器性能標準金屬平板或真空管集熱器. 非金屬平板集熱器. 無面蓋集熱器. FR（τα）. FRUL. FR（τα）. FRUL. FR（τα）. FRUL. ≧0.75. ≦7.0. ≧0.65. ≦7.5. ≧0.85. ≦20.0. （資料來源：能源局及成大研究發展基金會網站）. 2.太陽能熱水器性能標準熱水器種類特性效率. η. 有面蓋熱水器. ≧0.5. 儲置式熱水器. ≧0.5. 無面蓋熱水器. 真空管熱水器. ≧0.5. ≧0.5. （資料來源：能源局及成大研究發展基金會網站）. 26.

(45) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 3.以台中地區為平均值，計算一台 5.7m2（三片）集熱器搭配 400 公升保溫桶之熱水器實測值之家用型太陽能熱水器年均節能效益。（1）年均每日集熱效能： 15.93×106 焦耳/m2-日×0.5×5.7m2÷4180 焦耳/千卡＝10,861.4 千卡/日（2）設以熱水出水溫度 50℃，計算年均每日可溫升熱水量： 10,861.4 千卡/日÷（50℃－21.1℃）＝376 公升/日（3）年均每日可節省能源費用 a.使用電能熱水器：燃料熱值：860 千卡/度熱轉效率：90％燃料費率：3 元/度 10,861.4 千卡/日÷（860 千卡/度×90％）×3 元/度＝42.1 元/日 42.1 元/日×365 日/年＝15,366.5 元/年 b.使用天然瓦斯熱水器：燃料熱值：8,900 千卡/度熱轉效率：70％燃料費率：17 元/度. 27.

(46) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 10,861.4 千卡/日÷（8,900 千卡/度×70％）×17 元/度＝29.6 元/ 日 29.6 元/日×365 日/年＝10,804 元/年 c.使用液化瓦斯熱水器：燃料熱值：12,000 千卡/度熱轉效率：70％燃料費率：32 元/度 10,861.4 千卡/日÷（12,000 千卡/公斤×70％）×32 元/公斤＝41.4 元/日 41.4 元/日×365 日/年＝15,111 元/年（4）二氧化碳減量效益 a.使用電能熱水器： 10,861.4 千卡/日÷（860 千卡/度×90％）×0.638 公斤/度＝9 公斤/日 9 公斤/日×365 日/年＝3,285 公斤 CO2/年 b. 使用天然瓦斯熱水器： 10,861.4 千卡/日÷（8,900 千卡/度×90％）×2 公斤/度＝3.5 公斤/日. 28.

(47) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 3.5 公斤/日×365 日/年＝1,277.5 公斤 CO2/年 c. 使用液化瓦斯熱水器： 10,861.4 千卡/日÷（12,000 千卡/公斤×70％）×3 公斤/公斤＝ 3.9 元/年 3.9 公斤/日×365 日/年＝1,423.5 公斤 CO2/年表 3.3 太陽能熱水系統年均節省能源費用類別電能熱水器. 天然瓦斯熱水器. 液化瓦斯熱水器. 項目燃料熱值. 860 千卡/度. 8,900 千卡/度. 12,000 千卡/度. 熱轉效率. 90％. 70％. 70％. 燃料費率. 3 元/度. 17 元/度. 32 元/度. 太陽能集熱量. 42.1 元/日. 29.6 元/日. 41.4 元/日. 相對燃料費支出. 15,366.5 元/年. 10,804 元/年. 15,111 元/年. 二氧化碳減量效. 3,285 公斤 CO2/年 1,277.5 公斤 CO2/. 益. 年. 1,423.5 公斤 CO2/ 年. 太陽能熱水器的基本效益可說無庸置疑，但其儲存保溫確實是最關鍵的一環，多年來廠商不斷的創新與進步，保溫桶的保溫效率已超越進口產品，以美國進口的辛巴達熱水器而言，其保溫效果遠不及國內產品。以行政院本部裝設的太陽能熱水設備工程，在設計過程採用 PLC 可程式控制，可以詳細記錄使用效益並記錄存取（如表 3.3 及圖 3.1），從紀錄中可明顯看出保溫桶的保溫效果。（感謝陳理事長提供寶貴實測數據）. 29.

(48) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 表 3.4 2009 年 3 月 30 日太陽能熱水系統儲熱桶實測結果表大氣溫度℃. 項目. 進水溫度℃. 27.57. 平均值. 出水溫度℃. 25.12. 用水量 T. 用電度數. 4.69. 15.3. 59.26. 2009年3月30日太陽能熱水系統實測溫度比較. 溫度（℃） 70. 60 外氣溫度 50. 進水溫度出水溫度. 40. 30. 20. 10. 23:24:42. 22:30:42. 21:36:42. 20:42:42. 19:48:42. 18:54:42. 18:00:42. 17:06:42. 16:12:42. 15:18:42. 14:24:42. 13:30:42. 12:36:42. 11:42:42. 10:48:42. 09:54:42. 09:00:42. 08:06:42. 07:12:42. 06:18:42. 05:24:42. 04:30:42. 03:36:42. 02:42:42. 01:48:42. 00:54:42. 00:00:42. 0. 時間. 圖 3.1 2009 年 3 月 30 日太陽能熱水系統儲熱桶實測溫度比較圖（資料來源：中華民國太陽能科技發展協進會陳理事長提供，本研究繪製）. 國內推廣太陽能熱水系統雖然已經二十多年，但始終未被建築設計端及揩發單位所重視，至今許多新建築物尚未預留太陽能熱水器的熱水管路與電源及控制管線，對於民眾想要裝設太陽能熱水器，除了設備費用之外，常因需要配置明管破壞外觀而放棄；有的因需要多支出管線配管費用而選擇其他高耗能的熱水器，雖然一開始的建置費用較少，但日後的能費用卻是無形的負擔。另外產生的空氣污染更是無法計算，每年冬季來臨總有不少瓦斯中毒的意外事件發生，輕則影響健康，重則命喪黃泉，造成無數的家庭悲劇，更. 30.

(49) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 是社會國家的重大損失。如果在建築規劃中即將太陽能熱水器的裝設列入設計範圍，不但能有效減少民眾的經濟負擔，且對於環保安全更是無限的助益。當建築過程中納入太陽能熱水器的應用，增加的費用遠低於建築完成後配置明管的費用。以一般三至四樓透天厝推算費用概略如下： 1.配置明管： a.熱水管材費用：約 8,000 元。 b.電源線材：約 800 元。 c.工資費用：約 3,000 元。 2.建築一體施作： a.熱水管材費用：約 3,000 元以下。 b.電源線材：約 800 元。 c.工資費用：0 元。若以現場實際環境而言，其實建築設計列入太陽能熱水器的配管，不但不會增加費用，反而可以節省若干成本，以部分案例檢討將熱水器管路配置到後方陽台，所耗管線距離遠多於樓層的高度；而且熱水管路因流經樓地板造成嚴重的熱損失，不但浪費能源與金錢，更因每次使用需消耗管路滯留冷水，增加燃料消耗與增加無數不必要的廢氣與廢熱，造成環保負擔。. 31.

(50) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 第二節太陽能熱水系統設計施工要求事項（能源局提供，尚未定稿）一、一般要求 1.集熱器的安裝位置：考量建築結構載重荷載及整體觀瞻，儘可能縮短儲熱水槽和集熱器的配管。 2.避免反射光對附近建築物造成光污染。 3.系統設計與建造，須滿足建築技術規則與相關技術規範。二、基礎：集熱器基礎-在屋頂結構上需與結構層中的鋼筋或鋼構相連，並做好適當的防水處理。儲熱水槽基礎-滿水時荷重不可超過建築設計的承載能力並預留日後保養維修之維修通道。三、集熱器安裝：設置方位應朝正南向，仰角以等於當地緯度為佳，且誤差為±3°，同時避免配置遮陰，並考量夏冬季使用頻度調整仰角。集熱器可透過並聯、串聯和串並聯等模式連接成集熱器組，惟並聯或並接數目不宜超過 6 個；串聯的集熱器數目不宜超過 3 個。集熱器組的相互連接，應按先進後出原則佈置成並聯，俾能工作流體流量平衡時，可借助輔助閥門調整以獲得均勻的流量分佈。四、儲熱水槽安裝：槽底部一般應比集熱器頂部高 0.3m~0.5m，有效達成自然循環效果，並可防止夜間工作流體的倒流現象。同時儲槽上面及周遭應留設容納至少 1 人的作業空間，與四周保持大於 1.5m 的距離，與頂面保持大於 0.5m 的距離，人孔蓋周圍必須裝設防護欄，以確保維修時的安全。五、泵浦安裝：泵浦配合集熱溫度選擇耐高溫(>100℃)的機型，並須安. 32.

(51) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 裝於固定架，作接地、防震處理，置於室外者另應採用戶外型機型或加裝保護罩。，六、配管施工：循環管路應有 0.3%~0.5%的坡度，同時檢討設置排氣閥，以避免氣塞現象；並盡可能減少熱水配管長度與冷熱水管的彎折配管，檢討設置必要控制閥門、流量計與壓力表、膨脹箱或閥。七、電控系統安裝施工：系統室內外電線配置與安裝需符合電工法規規定，另儲水槽如需裝設電熱設備，其電熱設備須符合電工法規第三章第三節電熱裝置相關規定；溫差控制器應放置於具適當保護功能的控制箱內，溫差感測元件的定位與安裝須確保感測與訊號傳遞功能。. 第三節太陽能熱水系統導入建築應用的課題分析太陽能熱水器的應用為一般家庭建築容易接受的投資項目與選擇，但卻有許多瓶頸無法克服，如斜屋頂未預留配管路，增加施工難度與安裝後破壞外觀，造成許多施工不便與人員安全問題；如能從建築設計過程中即納入相關設計與施工配管考量，應可將推廣問題迎刃而解。斜屋頂建築除外觀美化還有節能的功效，若能將節能環保的太陽能熱水器納入，則有如虎添翼的良效；經濟部能源局曾委託工研院研究推廣，但因欠缺建築主管機關與建築師的參與，建築業界普遍缺乏意願，至今尚無明顯的市場。. 33.

(52) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 餐廳. 孝親房. 客廳. F. 廚房. 客廳/工作室. 圖 3.2 一般透天住宅平面與立面之太陽能熱水系統檢討範例若從建築規劃、設計、施工將太陽能熱水器納入，所增加的費用少，只要規劃得宜反而對整棟建築是加分；以建設公司而言，將太陽能熱水器納入不但可提升建築品質，更有助於銷售，衍生的邊際效應觀。目前政府正大力推廣補助民眾購置太陽能熱水系統，若能從建築主管部門加以規範，不但對政府推廣計畫產生莫大助益，更能提國家整形象與民眾節能環保觀念的進步。目前台灣地區太陽能熱水系統安裝案例現況，初步蒐集如下：（感謝陳理事長提供）. 34.

(53) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 圖 3.3 屋頂貼版獨立型太陽能集熱板. 圖 3.4 露台雨庇型太陽能集熱板. 35.

(54) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 圖 3.5 屋頂平台集合型太陽能集熱板. 圖 3.6 屋頂高架獨立型太陽能集熱板. 36.

(55) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 圖 3.7 屋頂平台獨立型太陽能集熱板. 圖 3.8 北京桑寶金太陽新能源集熱板. 圖 3.9 九陽太陽能屋頂一體型單元. 37.

(56) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 第四節專家業界訪談本研究於本年 6 月 6 日先以以電子郵件商請中華民國太陽能科技發展協進會陳理事長富用並轉知所屬會員，協助蒐集有關太陽能熱水系統在台灣推動的現況、效益及技術或推展上面臨的課題等資料進行分析研究；並於 98 年 7 月 15 日訪談相關會員先進，彙整本研究相關的經驗與技術資訊。包括以下項目： 1.太陽能熱水系統的集熱效益與儲能保溫關鍵技術。 2.建築物配置太陽能熱水系統的介面與建築技術法令配套需求。 3.獨立式住宅建築與中高層集合住宅的建置技術及差異性。 4.太陽能熱水系統取代住宅熱水的節能效益評估建議。第五節小結本章已蒐集目前我國推動太陽能熱水系統相關評估技術與推動措施資料，並透過專家訪談蒐集太陽能設備系統業界先進對於後續推動的建議事項，彙整太陽能熱水系統安裝實例；初步結論包括；(1)我國目前仍缺專業技術團體或公部門行政機關正式函頒的太陽能熱水系統設計技術規範、(2)國內目前推動太陽能熱水系統安裝實例仍以增設為主，且為現場評估安裝位置或配管路徑，尚未導入完整的設計評估流程、(3)國內尚未建立太陽能熱水系統研發專責機構，僅由能源主管機關委託辦理申裝補助審查機構，同時缺乏太陽能熱水系統與建築構造整合設計的研發計畫。建議主管機關. 38.

(57) 第三章太陽能熱水系統導入獨立住宅之技術與推廣現況. 與國家科研主管機關全力投入研發資源，協助業界突破技術瓶頸，加速推廣應用，以扶植國內太陽熱能產業之發展。. 39.

(58) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 40.

(59) 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析. 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析第一節太陽能熱水系統設置意願使用者調查本研究為掌握台灣推動太陽能熱水系統的現況，同時檢視建築物安裝太陽能熱水系統的技術課題、成本與使用者意願，進一步推估住宅建築採用太陽能熱水系統取代部分瓦斯、天然氣或電能熱水器的節能效益，並檢討後續擴大推動的策略，突破推廣瓶頸，針對建築面向推動太陽熱水在的課題進行問卷調查（問卷詳附錄）。本次調查問卷共回收 126 份，使用者居住地點分佈以台北縣市､桃園縣及中部苗栗、台中縣市等佔較大比例，台灣其他各地區亦有使用者提供意見。（圖 4.1） 25. 23. 23. 問 20 卷數. 18. 15. 13 11 9. 10. 5. 2. 3. 2. 2. 1. 1. 2. 3. 3. 3 1. 2. 1 台東縣. 花蓮縣. 屏東縣. 高雄市. 高雄縣. 台南縣. 台南市. 嘉義市. 南投縣. 雲林縣. 彰化縣. 台中市. 台中縣. 苗栗縣. 新竹市. 新竹縣. 桃園縣. 基隆市. 台北縣. 台北市. 0. 2. 圖 4.1 問卷對象居住地分佈一覽另因問卷係針對現況瞭解使用者對於太陽能熱水系統的認識與使用意願，以及使用動機的分析，故對象的選取未設定特別條. 41.

(60) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 件，問卷對象居住住宅建築類型包括獨立或雙拼住宅、連棟透天住宅、無電梯公寓及電梯華廈等，其中以連棟透天住宅及電梯華廈所佔比例較高，約 65%（圖 4.2）。獨立或雙拼住宅, 13, 10.5%. 連棟透天住宅, 46, 37.1%. 無電梯公寓, 30, 24.2%. 電梯華廈, 35, 28.2%. 圖 4.2 問卷對象居住住宅建築類型分佈一覽受問對象之住宅已安裝太陽能熱水系統者約 15.1%（圖 4.3），另 84.9%未安裝者比例圖受訪者認為現住住宅建築不適合安裝太陽能熱水系統的原因，依本研究設計問卷的課題，以鄰居可能不同意者佔 55.6%為最高，屋頂已有相關設施者居次；可見一般民眾在評估是否增設太陽能熱水系統時，對於取得鄰居或公寓大廈區分所有權人超過同意使用權的程序，似乎抱持審慎的態度，此現象亦顯現在申裝太陽能熱水系統如超過一定高度或規模時，需申請雜項執照的法定程序，所面臨的衝擊裝設意願的一大門檻；另目前國內住宅建築屋頂普遍存在的雜項工作物或遮陽、防水設施，對於擬增設太陽能熱水系統者，如何從有限的屋頂平面空間中，覓得太陽輻射充足且無鄰近遮蔽物的區位，亦為一大挑戰。（圖 4.4）. 42.

(61) 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析. 已安裝, 19, 15.1%. 未安裝, 107, 84.9%. 圖 4.3 問卷對象住宅安裝太陽能熱水系統比例圖. 日照被遮擋, 7, 13.0%. 鄰居可能不同意, 30, 55.6%. 屋頂已有設施（含遮陽設施）, 17, 31.5%. 圖 4.4 問卷對象認為現住住宅建築不適合安裝的原因本研究問卷中另針對受問者住宅單元每 2 個月能源使用的費用支出進行瞭解，包括天然氣、桶裝瓦斯電費等 3 項，使用天然氣者每 2 個月的能源支出略高於使用桶裝瓦斯者；而電費支出則以每 2 個月 2,000~3,000 元者居多（接近 45%）。（圖 4.5 至圖 4.7）本研究嘗試分析日常能源消費支出額度與裝設太陽能熱水系統意願的相關性，但因目前國內住宅建築在能源使用設備的配管或配線回路設計，並未區分廚房烹飪爐具、沐浴用熱水器以及其他日常電器. 43.

(62) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 設備，現階段尚無法將單一能源使用項目的使用量分項分析，未來如有機會，建議可選定示範性案例進行住宅建築規劃家用設備器具裝設分項耗能記錄量表，長時間記錄分析家戶均耗能現況，以利規劃合宜的再生能源發展策略或措施，俾能作為政府推動節能減碳政策之參考。 35. 70%. 31. 25 20. 60% 50%. 48.4% 14. 40%. 15. 15 10. 30%. 23.4%. 21.9%. 20%. 4. 5. Percentage. questionnaire number. 30. 6.3%. 0. 10% 0%. 0~500元. 501~1,000元 1,001~1,500元 1,501元以上. 35. 70%. 30. 60%. 25 20. 16 38.1%. 50%. 45.2% 40%. 19. 15. 30%. 10. 6. 5. 20%. 14.3%. 10%. 1. 2.4% 0%. 0 0~500元. 501~1,000元. 1,001~1,500元 1,501元以上. 圖 4.6 每 2 個月桶裝瓦斯支出統計. 44. Percentage. questionnaire number. 圖 4.5 每 2 個月天然氣支出統計.

(63) 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析. 35. 70%. 31. 60%. 25. 50%. 22. 20. 31.9%. 15 10 5. 44.9%. 4. 40% 30%. 12 17.4%. Percentage. questionnaire number. 30. 20% 10%. 5.8%. 0. 0% 0~1,000元. 1,001~2,000元 2,001~3,000元 3,001元以上. 圖 4.7 每 2 個月電費支出統計另本次問卷中回答有無意願或需求安裝太陽能熱水系統者共 117 份，有意願者僅佔 48.7%，無意願者超過半數（圖 4.8）；再根據考量安裝太陽能熱水系統的評估因素權重分析結果顯示，使用者最多列為第一優先考量的評估因素為安裝成本，其次為安裝位置，排序順位第三及第四的優先考量因素為冬季熱水不足與節省支出與增加投資回收年期。（圖 4.9）. 無安裝意願或需求, 60, 51.3%. 有安裝意願或需求, 57, 48.7%. 圖 4.8 太陽能熱水系統者之安裝意願調查分析. 45.

(64) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 安裝成本 60. 40. 安裝位置. 其他第一優先. 20. 順位二順位三. 0. 順位四順位五. 節約支出與回收年期. 配管配電不易. 冬季熱水不足. 圖 4.9 考量安裝太陽能熱水系統的評估因素權重分析此外，針對不同住宅建築類型使用者對於評估安裝太陽能熱水系統的優先考量因素分析結果顯示，不同類型住宅建築使用者仍以安裝成本為第一優先考量，無電梯公寓及電梯華廈之使用者的第二優先考量因素為安裝位置，連棟透天住宅則考量節省支出與增加投資回收年期，獨立或雙併住宅則同時考量節省支出與增加投資回收年期以及冬季熱水不足的因素。（圖 4.10）. 46.

(65) 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析. 安裝成本 40. 其他. 安裝位置. 20. 無電梯公寓電梯華廈 0. 連棟透天住宅獨立或雙拼住宅. 節約支出與回收年期. 配管配電不易. 冬季熱水不足. 圖 4.10 不同住宅建築安裝太陽能熱水系統的考量因素權重分析另根據評估可接受的太陽能熱水系統安裝成本的問卷統計結果顯示，初期安裝成本介於 3~4 萬元間較被普遍接受（56.9%），可接受 4~6 萬之間安裝成本者佔 39.4%，最明顯的結果是，超過 6 萬元以上的安裝成本會讓使用者卻步，失去安裝意願。（圖 4.11） 62. 60. questionnaire number. 70%. 56.9%. 60%. 50. 50%. 40. 40%. 25 22.9%. 30. 30%. 18. 16.5%. 20. 1. 10. Percentage. 70. 20%. 3 0.9%. 2.8%. 10%. 0. 0.0%0%. 0 3-4萬. 4-5萬. 5-6萬. 6-7萬. 7-10萬. 10萬以上. 圖 4.11 評估可接受的太陽能熱水系統安裝成本. 47.

(66) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 另根據初期投資成本回收年期對評估安裝意願的影響分析結果顯示，約有 43.1%使用者認為 3 年以下的回收年期會提高安裝意願，6 年以內的回收年期有 78.0%的使用者會考量評估安裝，7 年以上回收年期讓使用者評估有意安裝的比例降至 22.0%，可作為相關業者或設計人員評估初期投資成本回收年期的概略基準年期。（圖 4.12） 70. 70%. 47. 50. 43.1%. 60% 50%. 38 34.9%. 40. 40%. 30. 30%. 14. 10. 20. 9.2%. 12.8%. 10. Percentage. questionnaire number. 60. 20% 10%. 0. 0% 3年以下. 4-6年. 7-9年. 10年以上. 圖 4.12 重新評估安裝太陽能熱水系統成本回收年期分析另針對普遍性的第三者安裝意願分析結果顯示，安裝太陽能熱水器的初期投資成本回收年期超過 6 年以上，僅剩 19%的安裝意願。（圖 4.13） 70. 50. 44 41.9%. 60%. 41. 50%. 39.0%. 40. 40%. 30. 30%. 12. 8. 20. 7.6%. 11.4%. 10. Percentage. questionnaire number. 60. 70%. 20% 10%. 0. 0% 3年以下. 4-6年. 7-9年. 10年以上. 圖 4.13 影響安裝太陽能熱水器意願的成本回收年期分析. 48.

(67) 第四章太陽能熱水系統節能技術與效益評估策略分析. 另初期投資成本回收年期如能控制在在 3 年以下時，使用者將有 51.9%的機會被吸引估安裝太陽能熱水系統；4~6 年之間尚有 35% 的使用者會接受去安裝，超過 7 年時，安裝可能性急遽降低。（圖 4.14）故可獲致初步結論，以目前的社會經濟情勢而言，太陽能熱水系統初期安裝成本回收年期宜控制在過 6 年以下，其策略可包括降低設備系統價格與工程設施造價，亦或是能源價格適度反應調整，政府預算補貼初期投資成本的鼓勵措施等。. questionnaire number. 60. 70%. 56 51.9%. 50. 60% 50%. 38 35.2%. 40. 40%. 30. 30%. 20. 5 4.6%. 10. 9. Percentage. 70. 20%. 8.3% 10%. 0. 0% 3年以下. 4-6年. 7-9年. 10年以上. 圖 4.14 易被接受的太陽能熱水器安裝成本回收年期分析本研究針對住宅建築可安裝太陽能熱水器的優先位置進行問卷分析結果顯示，總體而言，台灣地區住宅建築最有可能安裝的建築部位為屋頂平台，其次為斜屋頂面，陽台雨庇被認為可作為安裝位置的比例極低（圖 4.15）；如以不同住宅建築類型分析可能安裝位置時，連棟透天住宅、無電梯公寓及電梯華廈仍以屋頂平台為第一優先選擇，其次為斜屋頂面，而獨棟或雙併住宅的第一優先選擇的安裝位置則為屋頂平台與斜屋頂面。（圖 4.16）. 49.

(68) 太陽能熱水系統導入獨立式住宅建築之節能技術與效益評估研究. 屋頂平台 80. 60. 其他. 40. 20. 斜屋頂面第一優先順位二. 0. 順位三順位四順位五. 陽台. 非頂層無遮蔽之露台. 雨庇. 圖 4.15 問卷對象住宅建築可安裝太陽能熱水器的優先位置分析不若大陸與其他國家在不同建築部位發展太陽能集熱技術的情況，台灣太陽能熱水系統的應用範圍仍被限縮在建築物的屋頂面，在其他軀位（如外牆、陽台、雨庇遮陽設施）仍有極大的發展空間，值得相關技術團隊或政府部門積極投入研發資源，以擴大太陽熱能的應用範疇，在住宅建築全面導入節能自然能源。. 50.